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dc.contributor.authorCampani Junior, Gilson
dc.date.accessioned2018-04-23T14:23:33Z
dc.date.available2018-04-23T14:23:33Z
dc.date.issued2018-01-12
dc.identifier.citationCAMPANI JUNIOR, Gilson. Otimização do controle do oxigênio dissolvido em biorreator airlift pressurizado: aplicação em cultivos de Escherichia coli recombinante. 2018. Tese (Doutorado em Engenharia Química) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2018. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/9797.*
dc.identifier.urihttps://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/9797
dc.description.abstractA wide variety of industrial and therapeutic proteins is synthetized by genetically modified Escherichia coli, which is ease to cultivate and manipulate and also well characterized. However, there are only few studies regarding E. coli cultivation in the pneumatic airlift bioreactor. This reactor presents some advantages over the stirred tank, such as simpler construction, lower risk of contamination, and efficient gas-liquid dispersion with reduced power consumption. However, the lower oxygen transfer capacity in the bench-scale airlift bioreactor, in comparison to the stirred tank, justifies the use of temperature, pressure, and gas and oxygen flow rates as manipulated variables for the dissolved oxygen (DO) control. In this context, this thesis aims: (i) to develop a mathematical model that describes the production of the Pneumococcal Surface Protein A (PspA) by recombinant E. coli in a pressurized airlift reactor, taking into account oxygen transfer and uptake in the process; (ii) to perform economic optimization of the DO control; (iii) to develop an advanced DO controller integrated to state estimators. Data of E. coli cultivation in conventional and airlift reactors were used to identify and validate the models. The dynamic optimization was performed using a gradient method based on the Pontryagin's minimum principle. The developed mathematical models were able to describe the process under varying conditions of temperature and pressure. The dynamic optimization of the DO control resulted in a simple and sequential way of handling the inputs: manipulation of air flow rate, followed by system pressurization, and then air enrichment with pure oxygen. The optimum process temperature was 27 °C. A model predictive DO control was then proposed, associated to two state estimators, the extended Kalman filter (EKF) and the moving horizon estimator (MHE). They were both able to estimate satisfactorily four state variables (cell, substrate, PspA, and DO concentrations) based only on DO measurements. The control system proved to be robust in process simulations. The conclusions that arise from this thesis contribute to the area of development of non-conventional reactors and DO controllers, especially for pneumatic bioreactors, which are widely used in aerobic bioprocesses.eng
dc.description.sponsorshipConselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)por
dc.description.sponsorshipCoordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)por
dc.description.sponsorshipFundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)por
dc.language.isoporpor
dc.publisherUniversidade Federal de São Carlospor
dc.rights.uriAcesso restritopor
dc.subjectCultivo celularpor
dc.subjectSobrepressãopor
dc.subjectOxigênio dissolvidopor
dc.subjectControle ótimopor
dc.subjectControle preditivopor
dc.subjectEstimador de estadopor
dc.subjectEscherichia colilat
dc.subjectAirlifteng
dc.titleOtimização do controle do oxigênio dissolvido em biorreator airlift pressurizado: aplicação em cultivos de Escherichia coli recombinantepor
dc.title.alternativeControl optimization of dissolved oxygen in a pressurized airlift bioreactor: its implementation on cultures of recombinant Escherichia coli.eng
dc.typeTesepor
dc.contributor.advisor1Zangirolami, Teresa Cristina
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/4546701843297248por
dc.contributor.advisor-co1Ribeiro, Marcelo Perencin de Arruda
dc.contributor.advisor-co1Latteshttp://lattes.cnpq.br/0381402687491195por
dc.description.resumoDevido à ampla caracterização e à facilidade de manipulação e de cultivo, diversas proteínas com aplicação industrial e terapêutica são produzidas por Escherichia coli geneticamente modificada. No entanto, poucos trabalhos envolvendo cultivo de E. coli em reator pneumático tipo airlift são encontrados. Este biorreator apresenta vantagens frente ao tanque agitado, como simplicidade de construção, menor risco de contaminação e eficiente dispersão gás-líquido com baixo consumo de energia. Entretanto, a menor capacidade de transferência de oxigênio no biorreator airlift em escala de bancada, em relação à alcançada em reator convencional, justifica a manipulação de variáveis como temperatura, pressão e vazões de ar e oxigênio no controle do oxigênio dissolvido (OD). Nesse contexto, a presente tese tem como objetivos: (i) desenvolver modelo matemático que descreva o processo de produção da Proteína A de Superfície do Pneumococo (PspA) por E. coli recombinante em reator airlift pressurizado, considerando o consumo e a transferência de oxigênio no processo; (ii) otimizar economicamente o controle do OD; (iii) desenvolver controlador avançado para o OD integrado a estimadores de estados. Foram utilizados dados de cultivos de E. coli em reatores convencional e airlift para a identificação e validação dos modelos propostos. A otimização dinâmica foi feita empregando método do gradiente baseado no Princípio do Mínimo de Pontryagin. Os modelos matemáticos desenvolvidos foram capazes de descrever o processo em condições variadas de temperatura e pressão. A otimização dinâmica do controle do OD resultou em uma heurística simples e sequencial de atuação: manipulação da vazão de ar, seguida pela pressurização do sistema e, finalmente, enriquecimento do gás de entrada com oxigênio puro. A temperatura ótima para o processo foi de 27 °C. Foi proposto então um sistema de controle preditivo para o OD, associado a dois estimadores de estado, o extended Kalman filter (EKF) e o moving horizon estimator (MHE), capazes de estimar satisfatoriamente quatro variáveis de estado (concentrações celular, de substrato, de PspA e de OD) com base apenas na medida de OD. O sistema de controle se mostrou robusto em simulações do processo. As conclusões obtidas a partir desta tese contribuem para a área de desenvolvimento de reatores não convencionais e de controladores do OD, especialmente para os biorreatores pneumáticos, que são amplamente utilizados em bioprocessos aeróbios.por
dc.publisher.initialsUFSCarpor
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Química - PPGEQpor
dc.subject.cnpqENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::PROCESSOS INDUSTRIAIS DE ENGENHARIA QUIMICApor
dc.description.sponsorshipIdCAPES: 142482/2014-5por
dc.ufscar.embargo6 meses após a data da defesapor
dc.publisher.addressCâmpus São Carlospor
dc.contributor.authorlatteshttp://lattes.cnpq.br/1982252146006688por


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